专利名称：一种基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种用于指导森林火灾扑救的森林小班尺度的林火蔓延模拟方法，特别是一种基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法。
背景技术：
在我国应用最多的林火蔓延模型包括Rothermel模型及王正非林火蔓延模型。王正非林火蔓延模型仅适用于坡度在60°以下的地形，上坡和风顺着向上坡的情况，后来，毛贤敏等人考虑风向和地形的组合，导出了上坡、下坡、左平坡、右平坡和风方向的5个方向的方程组，经计算可得出这五个方向的林火蔓延速度。所以在王正非及经毛贤敏等人扩展后森林火灾蔓延模型的实际应用中，由于只考 虑了上述五个方向上风速的参数，使实际应用受到限制。本发明从森林小班的尺度上，计算八个方向上林火蔓延速度，用于对林火蔓延的模拟，能得到更高精度的模拟结果。
发明内容
为了提高森林小班林火蔓延模拟的精度，本发明的目的是提供一种基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法。本发明的目的是这样实现的森林小班林火蔓延方向以着火点为中心分别以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8个方向为森林小班林火蔓延方向。
以数模①R = R0XKsX exp (0. 1783Vcos 9 ) X exp (3. 533 (tan ) L2)计算森林小班林火在上坡方向上的蔓延速度；以数模②R = R0XKsXexp (0. 1783Vcos ( 0 -45。)) Xexp {3.533[tan((j5Xcos45° )]12}计算森林小班林火在右上坡方向上的蔓延速度；以数模③R =R0XKsXexp (0. 1783Vcos(0 -90° ))计算森林小班林火在右平坡方向上的蔓延速度；以数模④ R = Rtl X Ks Xexp (0. 1783Vcos( 9 -135° )) X exp {-3. 533 [tan (<t Xcos45。)]1.2}计算森林小班林火在右下坡方向上的蔓延速度；以数模⑤R = RtlXKsX exp (0. 1783VcOS(180° -
0)) Xexp (-3. 533 (tan 4) )L2)计算森林小班林火在下坡方向上的蔓延速度；以数模⑥R =R0XKsXexp (0. 1783Vcos( 0 -225。)) Xexp {-3. 533[tan(Xcos (-45° ))]1.2}计算森林小班林火在左下坡方向上的蔓延速度；以数模⑦R = R0XKsXexp (0. 1783Vcos ( 0+90° ))计算森林小班林火在左平坡方向上的蔓延速度；以数模⑧R = RtlXKsXexp (0. 1783Vcos(0-315。)) X exp {3. 533 [tan ( X cos (-45° )) ]L2}计算森林小班林火在左上坡方向上的蔓延速度；其中，Rtl是蔓延的初速度，Ks是可燃物系数，为地形坡度角，V为风速，0为风向角。森林小班林火蔓延模拟的过程如下首先，在栅格数据上确定火点M所在的像元；其次，计算火点M所在像元中心与周围相邻8个像元中心之点的距离S ;然后，以数模
⑨计算火点M沿8个方向的蔓延时间A t8 ;最后，利用类八叉树算法计算火点M在 K8个方向上蔓延路径，直到所有边界点的8个方向t值均大于蔓延时间，所有标记成过火点的栅格即为着火区域。本项发明与现有技术相比具有以下优点从8个方向对林火进行模拟，避免了先前只通过五个方向速度对林火进行模拟的不完善，其动态性强，依赖参数少，获取方便，提高了模拟的精度和效率，因而可准确定位林火蔓延后各方向的位置，且模型具有简单易行的特点；根据所提出的平面八叉树算法可直接模拟小班林火蔓延的过程。
四
图I为点火源林火蔓延的8个方向示意图；图2为森林小班林火蔓延平面八叉树示意图。 五具体实施例方式基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法与现有技术不同，作了很大改进，具体是首先，如图I所示，将森林小班林火蔓延方向以着火点为中心分别以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8个方向为森林小班林火蔓延方向。其次，根据八个方向上森林小班林火蔓延速度的数学模型计算森林小班林火在上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8个方向的蔓延速度上坡R= R0XKsXexp (0. 1783Vcos 0 ) X exp (3. 533 (tan ) L2)右上坡R= RQXKsXexp(0. 1783Vcos( 0-45 ° )) X exp {3. 533 [tan (小 X cos45° )]1.2}右平坡R= RtlXKsX exp (0. 1783Vcos( 0-90。))右下坡R= R0XKsXexp (0. 1783Vcos( 0 -135。))Xexp{_3. 533 [tan (<t Xcos45° )]1.2}下坡R= R0XKsXexp (0. 1783Vcos (180。-0)) Xexp (-3. 533 (tan ) L2)左下坡R = R0XKsXexp(0. 1783Vcos( 9 -225 。))X exp {_3. 533 [tan (X cos (-45。))]1.2}左平坡R= RtlXKsXexp (0. 1783Vcos( 0+90。))左上坡R= RtlXKsX exp (0. 1783Vcos( 0-315。))X exp {3. 533 [tan (小 X cos (-45。))]1.2}[式中Rq是蔓延的初速度，Ks是可燃物系数(树种与数值之间关系可由表I得出)，$为地形坡度角，V为风速，0为风向角(把正上坡方向OV1作顺时针方向旋转，当与风向重合时，令其所旋转的角度等于9)]。然后，利用地理信息系统软件输入地形图并矢量化，生成栅格数据后作为地形数据，为保证正确性栅格需要使用同一精度，同时栅格的分辨率越小，模拟的精度越高。最后，如图2所示，火点M向周围蔓延，其相邻点有8个，两个栅格之间的距离为两个栅格中心点的距离S，那么火点沿每个方向蔓延一格的时间就为S/相应的方向的蔓延速度R，因此得到八个方向的蔓延时间tl t8。扩散算法采用类八叉树算法，即每个点向外扩散有8个方向的选择,在计算林火蔓延路径时,从起火点某一方向开始,沿顺时针(或逆时针)方向检测，每探测到某一方向，计算从当前格沿该方向蔓延到下一格的时间t,若t值小于给定的蔓延时间，且该方位没有走过，就沿此方向前进一格，并标记该栅格已为过火点，同时将该方向的时间更新为t，当运行到某时刻，该方向的下一个栅格已为过火点时，则直接跳过该方向判断下一方向的时间t，每次运行完八个方向为一循环，循环一次后会形成一个新的范围，最新生成的边界点(除过火点外)则成为下一次循环的着火点，之后每个边界点继续进行八个方向的判断，当一个点所有方向的t值都大于蔓延时间，则该点记为过火点，从下回合开始停止蔓延，当所有的边界点的八个方向t值均大于蔓延时间时，该模拟 过程结束，所有标记成过火点的栅格便是着火区域。
权利要求
1.一种基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法，其特征是其中森林小班林火蔓延方向以着火点为中心分别以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8个方向为森林小班林火蔓延方向。
2.根据权利要求I所述的森林小班林火蔓延方向，其特征是以数模①R= RοXKsX exp (O. 1783Vcos Θ ) X exp (3. 533 (tan Φ) L2)计算森林小班林火在上坡方向上的蔓延速度；以数模② R = R0XKsXexp (O. 1783Vcos( Θ -45 ° )) X exp {3. 533 [taη(Φ Xcos45° )]12}计算森林小班林火在右上坡方向上的蔓延速度；以数模③R =R0XKsXexp (O. 1783Vcos(9 -90° ))计算森林小班林火在右平坡方向上的蔓延速度；以数模④ R = Rtl X Ks X exp (O. 1783Vcos( Θ -135° )) X exp {-3. 533 [tan (Φ Xcos45。)]1.2}计算森林小班林火在右下坡方向上的蔓延速度；以数模⑤R = RtlXKsX exp (0. 1783VcOS(180° -θ )) Xexp (-3. 533 (tan Φ)12)计算森林小班林火在下坡方向上的蔓延速度；以数模⑥R =R0XKsXexp (O. 1783Vcos( Θ-225。))Xexp {_3· 533[tan( Φ Xcos (-45。))]1.2}计算森林小班林火在左下坡方向上的蔓延速度；以数模⑦R = R0XKsX exp (O. 1783Vcos ( Θ+90° ))计算森林小班林火在左平坡方向上的蔓延速度；以数模⑧R = RtjXKsX exp (O. 1783Vcos(0-315。)) X exp {3. 533 [tan ( Φ X cos (-45° )) ]L2}计算森林小班林火在左上坡方向上的蔓延速度；其中，Rtl是蔓延的初速度，Ks是可燃物系数，Φ为地形坡度角，V为风速，Θ为风向角。
3.根据权利要求I所述一种基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法，其特征是其中森林小班林火蔓延模拟的过程如下首先，在栅格数据上确定火点M所在的像元；其次，计算火点M所在像元中心与周围相邻8个像元中心之点的距离S ;然后，以数模 = 4计算火点M沿8个方向的蔓延时间h t8 ;最后，利用类八叉树算法计算火点M在 K8个方向上蔓延路径，直到所有边界点的8个方向t值均大于蔓延时间，所有标记成过火点的栅格即为着火区域。
全文摘要
本发明公开了一种基于平面八叉树的森林小班林火蔓延模拟方法。该发明是将森林小班林火蔓延方向以着火点为中心分别以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8个方向，分别计算8个方向上的蔓延速度，并基于栅格影像数据实现森林小班林火着火区域模拟，精确地模拟森林小班林火蔓延。
文档编号G06F17/50GK102799703SQ20121013870
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者冯泽邦 申请人:冯泽邦